EP3849038B1 - Système d'alimentation électrique pour un véhicule électrique - Google Patents

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EP3849038B1
EP3849038B1 EP21150526.8A EP21150526A EP3849038B1 EP 3849038 B1 EP3849038 B1 EP 3849038B1 EP 21150526 A EP21150526 A EP 21150526A EP 3849038 B1 EP3849038 B1 EP 3849038B1
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EP
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conversion element
fuel cell
power conversion
supply system
power supply
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EP21150526.8A
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Davide Barlini
Jean-Luc POMES
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Alstom Transport Technologies SAS
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Alstom Transport Technologies SAS
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Publication date
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an electric power supply system for an electric vehicle, as well as an electric vehicle comprising such an electric power supply system.
  • Electric vehicles and more particularly railway vehicles with electric traction, include in certain special cases, in particular when it is desired to be able to operate them without an external source of electricity (catenary, supply rail) and without using a heat engine, a electricity storage system, such as one or more storage batteries.
  • a electricity storage system such as one or more storage batteries.
  • a fuel cell can be associated with the electricity storage system.
  • Such power supply systems are known from the following documents: H. TAO ET AL: “Family of multiport bidirectional DC-DC converters", IEE PROCEEDINGS: ELECTRIC POWER APPLICATIONS, vol. 153, no. 3, 1 January 2006 (2006-01-01 ); JYOTHEESWARA REDDY K ET AL: “Energy sources and multi-input DC-DC converters used in hybrid electric vehicle applications - A review”, INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS BV, vol. 43, no. 36, August 13, 2018 (2018-08-13 ).
  • a single power supply system including a single power converter (comprising the first and second conversion element and the transformer), capable of operating both for charging the battery and for powering the traction chain from the current supplied by the fuel cell and the battery.
  • FIG. 1 there is shown a power supply system 2 for an electric vehicle 1, such as an electric traction rail vehicle.
  • an electric vehicle such as an electric traction rail vehicle.
  • the railway vehicle can be a passenger train, or a high-speed train, or a locomotive, or a service vehicle such as a handcar or a shunter, or an urban transport vehicle such as metro or tram.
  • the vehicle 1 can be an electric road vehicle, such as an electric bus.
  • the vehicle 1 comprises an electric traction chain comprising one or more electric motors configured to drive the vehicle in movement along a track.
  • the traction chain can include one or more electrical loads of a different nature.
  • the vehicle 1 also comprises a current collection system, not shown, configured to collect an electric current supplied by an external power source and to supply the traction chain with the collected electric current.
  • a current collection system not shown, configured to collect an electric current supplied by an external power source and to supply the traction chain with the collected electric current.
  • the collection system may comprise a pantograph or a shoe configured to cooperate with, respectively, a catenary or a power rail.
  • the collection system may include a socket capable of cooperating with an electric charging terminal.
  • the collection system can comprise an induction coupling system or a radio antenna.
  • the power supply system 2 comprises a fuel cell FC, an electric battery BAT, a first power conversion element 4, a second power conversion element 6 and a transformer 8.
  • the first power conversion element 4, the second power conversion element 6 and the transformer 8 are associated to form a single DC-DC power converter.
  • the battery BAT is capable of storing energy to electrically supply at least part of the vehicle 1, and in particular the traction chain of the vehicle 1, when the vehicle 1 is not powered by a power source.
  • external power supply This is for example the case of a railway vehicle which travels on a portion of track devoid of catenary or power rail.
  • the battery BAT can comprise an electrochemical storage battery.
  • the battery BAT can include a set of capacitors or super-capacitors, or any suitable electricity storage technology.
  • the battery BAT has a voltage greater than or equal to 750 V DC between its terminals when it is charged.
  • the fuel cell FC is able to generate electricity to recharge the battery BAT and/or to supply electrically at least partly the vehicle 1, and in particular the traction chain of the vehicle 1, when the vehicle 1 is not supplied by an external power source.
  • the fuel cell FC provides an additional source of energy on board the vehicle 1 when the latter is not powered by an external power source.
  • the fuel cell FC can be powered by a hydrogen tank, not shown, on board the vehicle 1.
  • the electrical voltage across the terminals of the fuel cell FC when it is in operation is greater than or equal to 400 V DC.
  • the electric voltage at the terminals of the battery BAT is higher than the electric voltage at the terminals of the fuel cell FC.
  • the first conversion element 4 comprises input terminals which form an input of the system 2 and which make it possible to connect the system 2 to an electric traction chain of the vehicle 1.
  • the system 2 can be connected alternatively to a source of power supply or to an electrical load, depending on the circumstances of use of the vehicle 1.
  • the voltage at the input terminals of the first conversion element 4 is greater than or equal to 1500V or 3000V.
  • the first conversion element 4 forms a high voltage stage of the power supply system 2.
  • Transformer 8 has a primary winding 10, a first secondary winding 12 and a second secondary winding 14 connected together by a midpoint 16.
  • first winding 12 and the second winding 14 have the same length and the same number of turns.
  • Transformer 8 may include a magnetic core, denoted TMF, around which windings 10, 12 and 14 are surrounded.
  • the primary winding 10 is connected to an output of the first conversion element and the secondary windings 12, 14 are connected to an input of the second conversion element 6.
  • the battery BAT is connected between output terminals of the second conversion element 6.
  • one of the output terminals of the second conversion element 6 is connected to a common electrical ground GND.
  • the first and second conversion elements 4 and 6 are "bridge" converters each comprising a plurality of power switches controlled by an electronic control device 3.
  • the power switches are transistors, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs), or MOSFET transistors, or any other suitable power transistor technology.
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • MOSFET transistors or any other suitable power transistor technology.
  • the first conversion element 4 provides DC-AC voltage conversion and the second conversion element 6 provides AC-DC voltage conversion.
  • the first conversion element 4 comprises four power switches Z1, Z2, Z3 and Z4 formed by transistors in particular.
  • Two transistors Z1 and Z2 are connected in series in a first arm of the first conversion element 4 between the input terminals.
  • Two other transistors Z3 and Z4 are connected in series in a second arm of the first conversion element 4 in parallel with the first arm.
  • a first terminal of primary winding 10 is connected to a point of the first leg between transistors Z1 and Z2.
  • a second terminal of primary winding 10 is connected to a point of the second arm between transistors Z3 and Z4.
  • a first filter capacitor CF can be connected between the input terminals.
  • the first conversion element 4 comprises a diode, connected in parallel with said transistor.
  • said diodes associated with transistors Z1, Z2, Z3 and Z4 are denoted DZ1, DZ2, DZ3 and DZ4, respectively.
  • the second conversion element 6 comprises four power switches S1, S2, S3 and S4.
  • Two transistors S1 and S2 are connected in series in a first arm of the second conversion element 6 between the output terminals.
  • Two other transistors S3 and S4 are connected in series in a second arm of the second conversion element 6 in parallel with the first arm.
  • a first terminal of the first secondary winding 12 is connected to a point of the first arm between the transistors S1 and S2.
  • the other terminal of the first secondary winding 12 is connected to the midpoint 16.
  • the first terminal of the second secondary winding 14 is connected to the midpoint 16.
  • a second terminal of the second secondary winding 14 is connected to a point of the second arm between the transistors S3 and S4.
  • the first transistor S2 is connected to a first arm of the converter between the first secondary winding and a common ground
  • the second transistor S4 is connected to a second arm of the power converter between the second secondary winding and the common mass.
  • the second conversion element 6 includes a free wheel diode connected in parallel with said transistor.
  • the diodes associated with transistors S1, S2, S3 and S4 are denoted D1, D2, D3 and D4, respectively.
  • the fuel cell FC is connected in series with an inductor LH (a coil) and a diode DD at the midpoint 16 of the transformer.
  • the fuel cell FC is also connected to one of the output terminals of the second conversion element 6.
  • diode DD can be omitted.
  • inductance LH can be integrated into transformer 8.
  • inductance LH and diode DD are connected in a branch 18 of second conversion element 6.
  • a first terminal of the fuel cell FC is connected to branch 18 and a second terminal of the fuel cell FC is connected to electrical ground GND.
  • the diode DD is configured to allow the flow of electric current from the fuel cell FC to the midpoint 16.
  • the value of the inductance LH is chosen according to the use which will be made of the single converter, and in particular the switching frequency, the voltage of the fuel cell, the voltage delivered by the battery and the power that the power supply system will have to provide 2.
  • the value of the inductance LH is between 0.1 mH and 10 H, preferably between 0.1 H and 10 H.
  • the inductance LH can be chosen equal to 300 ⁇ H.
  • a capacitor C8 is connected in parallel with the battery BAT at the output of the second power conversion element.
  • capacitor C8 can be omitted.
  • the control device 3 is configured to control the conversion elements 4 and 6, in particular to control the switching of the respective power switches of these conversion elements 4 and 6.
  • control device 3 drives the switches by sending control signals making it possible to adjust their switching according to a predefined rate.
  • the control signals can be pulse-width modulated (PMW) signals.
  • the electronic control unit 3 comprises a processor, such as a programmable microcontroller or a microprocessor, and a computer memory forming a computer-readable data recording medium.
  • a processor such as a programmable microcontroller or a microprocessor
  • a computer memory forming a computer-readable data recording medium.
  • the memory is a ROM memory, or a RAM memory, or a non-volatile memory of the EPROM, or EEPROM, or FLASH type, or any suitable memory technology, or any possible combination of these memory technologies.
  • the memory includes executable instructions and/or software code for implementing a method for driving transistors of conversion elements 4 and 6 when these instructions are executed by the processor.
  • control device 3 comprises a programmable logic component (FPGA) or a dedicated integrated circuit configured to implement such methods.
  • FPGA programmable logic component
  • the switching of the transistors is carried out at the instants for which the alternating voltage assumes a zero value (ZVS, for “zero voltage switching”).
  • an electrical supply voltage is applied to the input terminals of the first conversion element 4 by the collection device.
  • the control device 3 controls the transistors Z1, Z2, Z3 and Z4 of the first conversion element 4 to convert the input voltage into an alternating voltage delivered to the terminals of the transformer 8. This alternating voltage is then rectified by the second conversion element 6 then applied to the terminals of the battery BAT to recharge it.
  • the battery BAT is electrically charged from an electrical voltage applied to the input of the first power conversion element.
  • diodes D1, D2, D3, and D4 operate as a rectifier, with transistors S1, S2, S3, and S4 being maintained in their open state.
  • Diode DD connected to branch 18 prevents current from flowing to the fuel cell FC.
  • control device 3 can switch the transistors S2 and S4 of the second conversion element 6 between their closed and open states in a synchronized manner with the switching of the transistors Z1, Z2, Z3 and Z4 of the first conversion element. conversion 4, so as to ensure continuous operation of the fuel cell which then supplies the battery or the traction chain at the same time as the external source recharges the battery.
  • the other transistors S1 and S3 of the second conversion element 6 are maintained in an open state.
  • the fuel cell in the first mode of operation, is also capable of supplying the battery or a load connected to the input of the first conversion element.
  • the transistors Z1, Z2, Z3 and Z4 of the first conversion element 4 can be left in the open state.
  • control device 3 maintains the transistors S1 and S3 of the second conversion element 6 in an open state, and regularly switches the transistors S2 and S4 of the second conversion element 6 so that the latter play the role of step-up chopper.
  • voltage at the output of the fuel cell FC with the aid of diodes D1 and D3, so as to be able to charge the battery BAT with the voltage supplied by the fuel cell FC.
  • the switching of transistors S2 and S4 to the open state or to the closed state is synchronized.
  • the BAT battery does not recharge.
  • the inductance LH accumulates energy supplied by the fuel cell FC.
  • transistors S2 and S4 When transistors S2 and S4 are simultaneously open and both remain in the open state, the energy previously stored in inductor LH discharges and charges capacitor C8 and battery BAT, together with fuel cell FC .
  • a first electric current flows through branch 18, through first winding 12 of the secondary and through diode D1 of the first arm in the direction of battery BAT.
  • a second electric current flows through branch 18, through second winding 14 of the secondary and through diode D3 of the second arm in the direction of battery BAT.
  • the switching cycle of transistors S2 and S4 is then repeated periodically over time.
  • the battery BAT and the fuel cell FC jointly deliver an electric voltage to the input terminals of the first conversion element 4, in order to electrically supply an electric load connected to the input of the first conversion element. conversion 4.
  • control device 3 drives the transistors S1, S2, S3 and S4 to operate the second conversion element 6 so as to transfer electric power to the first conversion element 4.
  • FIG. 30 An example of switching sequence of transistors S1, S2, S3 and S4 according to embodiments is illustrated by diagram 30 of the picture 3 .
  • transistors S1 and S4 are switched to their closed state, while transistors S2 and S3 remain in their open state. This allows the battery BAT to discharge and thus to apply an electric voltage to the terminals of the secondary windings 12 and 14. During this time, while the transistor S4 is closed, the inductor LH stores energy supplied by the FC fuel cell.
  • transistor S4 is switched to its open state, while transistor S1 remains closed.
  • transistor S1 is switched to its open state.
  • transistor S4 remains in the open state, which allows inductance LH to discharge by supplying battery BAT and/or capacitor C8.
  • transistors S2 and S3 are switched to their closed state, while transistors S1 and S4 remain in their open state. This allows the battery BAT to discharge and thus to apply an electric voltage to the terminals of the secondary windings 12 and 14. During this time, while the transistor S4 is closed, the inductance LH stores energy supplied by the FC fuel cell.
  • transistor S2 is switched to its open state, while transistor S3 remains closed.
  • transistor S3 is switched to its open state.
  • transistor S3 remains closed, which allows inductance LH to discharge.
  • diodes DZ1, DZ2, DZ3, DZ4 rectify the voltage at the output of the primary winding to convert the electrical voltage across the terminals of transformer 8 into a DC voltage which is used to supply said electrical load.
  • the control device 3 drives the transistors Z1, Z2, Z3 and Z4 of the first converter 4 to convert the electrical voltage across the terminals of the transformer 8 into a direct voltage.
  • the invention it is possible to use a single electrical power supply system capable of operating both to charge the battery and to supply the traction chain from the current supplied by the fuel cell.
  • the power switches S2 and S4 already present in the second conversion element 6 are controlled by the control device 3 to perform a voltage step-up chopper function at the output of the fuel cell FC.

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Description

  • La présente invention concerne un système d'alimentation électrique pour un véhicule électrique, ainsi qu'un véhicule électrique comportant un tel système d'alimentation électrique.
  • Les véhicules électriques, et plus particulièrement les véhicules ferroviaires à traction électrique, comportent dans certains cas particuliers, notamment lorsqu'on souhaite pouvoir les opérer sans source extérieur d'électricité (caténaire, rail d'alimentation) et sans utiliser un moteur thermique, un système de stockage d'électricité, tel qu'une ou plusieurs batteries d'accumulateurs.
  • Pour augmenter l'autonomie en énergie de tels véhicules, une pile à combustible peut être associée au système de stockage d'électricité. De tels systèmes d'alimentation électrique sont connus des documents suivants: H. TAO ET AL: "Family of multiport bidirectional DC-DC converters", IEE PROCEEDINGS: ELECTRIC POWER APPLICATIONS, vol. 153, no. 3, 1 janvier 2006 (2006-01-01); JYOTHEESWARA REDDY K ET AL: "Energy sources and multi-input DC-DC converters used in hybrid electric vehicle applications - A review", INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V., vol. 43, no. 36, 13 août 2018 (2018-08-13).
  • Cela nécessite toutefois de modifier la chaîne de traction électrique du véhicule, notamment au niveau des blocs de conversion de puissance.
  • A cet effet, il est possible d'utiliser des convertisseurs de puissance indépendants pour la pile à combustible et pour la batterie. Toutefois cela n'est pas toujours souhaitable, car cela accroît le coût et la complexité de la chaîne de traction. Cela tend aussi à dégrader la performance électrique de l'ensemble.
  • Il existe donc un besoin pour un convertisseur unique de puissance facilitant l'intégration à la fois d'une pile à combustible et d'une batterie électrique dans un véhicule électrique. Le document DE 11 2015 004164 T5 décrit des convertisseurs DC/DC réversibles multi-ports capables d'être connectés à multiples sources d'alimentation électrique.
  • A cet effet, l'invention concerne un système d'alimentation électrique pour un véhicule électrique, tel qu'un véhicule ferroviaire, le système d'alimentation électrique étant tel que défini par la revendication 1 et comportant : une pile à combustible, une batterie électrique, un premier élément de conversion de puissance, un deuxième élément de conversion de puissance et un transformateur,
    • dans lequel une entrée du premier élément de conversion est configurée pour recevoir un courant de charge ou délivrer un courant de traction,
    • dans lequel le transformateur comporte un enroulement primaire, un premier enroulement secondaire et un deuxième enroulement secondaire, l'enroulement primaire étant connecté à une sortie du premier élément de conversion et les enroulements secondaires étant connectés à une entrée du deuxième élément de conversion,
    • dans lequel la batterie est connectée aux bornes d'une sortie du deuxième élément de conversion,
    • et dans lequel la pile à combustible est connectée en série avec une inductance à un point médian du transformateur entre le premier enroulement secondaire et le deuxième enroulement secondaire.
  • Grâce à l'invention, il est possible d'utiliser un seul système d'alimentation électrique incluant un convertisseur de puissance unique (comprenant les premier et deuxième élément de conversion et le transformateur), capable de fonctionner aussi bien pour charger la batterie que pour alimenter la chaîne de traction à partir du courant fourni par la pile à combustible et la batterie.
  • Ainsi, il n'est pas nécessaire d'utiliser des convertisseurs de puissance séparés pour la batterie et la pile à combustible, ce qui aurait l'inconvénient d'être trop coûteux et compliquer à intégrer, notamment en termes d'encombrement. Les dimensions sont également réduites, notamment lorsque le système fonctionne avec des fréquences de découpage élevées.
  • Les modes particuliers de réalisation de l'invention sont définis par les revendications dépendantes 2 à 7.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un convertisseur de puissance donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • [Fig 1] la figure 1 est un schéma d'un système d'alimentation électrique pour un véhicule ferroviaire comportant un convertisseur de puissance unique conforme à un mode de réalisation de l'invention ;
    • [Fig 2] la figure 2 est un diagramme représentant un exemple de signal de commande utilisé pour piloter un deuxième élément de conversion du convertisseur de puissance de la figure 1 pour réaliser un deuxième mode de fonctionnement;
    • [Fig 3] la figure 3 est un diagramme représentant un exemple de loi de commande du deuxième élément de conversion du convertisseur de puissance de la figure 1 pour réaliser un troisième mode de fonctionnement.
  • Sur la figure 1 est représenté un système d'alimentation électrique 2 pour un véhicule électrique 1, tel qu'un véhicule ferroviaire à traction électrique.
  • Selon des exemples non limitatifs, le véhicule ferroviaire peut être un train de passagers, ou un train à grande vitesse, ou une locomotive, ou un véhicule de service tel qu'une draisine ou un locotracteur, ou un véhicule de transport urbain tel qu'un métro ou un tramway.
  • En variante, le véhicule 1 peut être un véhicule électrique routier, tel qu'un autobus électrique.
  • Selon des exemples, le véhicule 1 comporte une chaîne de traction électrique comprenant un ou plusieurs moteurs électriques configurés pour entraîner le véhicule en déplacement le long d'une voie. En variante, la chaîne de traction peut comporter une ou plusieurs charges électriques de nature différente.
  • Selon des modes de réalisation, le véhicule 1 comporte également un système de collecte de courant, non illustré, configuré pour collecter un courant électrique fourni par une source d'alimentation extérieure et pour alimenter la chaîne de traction avec le courant électrique collecté.
  • Par exemple, le système de collecte peut comporter un pantographe ou un patin configuré pour coopérer avec, respectivement, une caténaire ou un rail d'alimentation.
  • En variante, le système de collecte peut comporter une prise apte à coopérer avec une borne de chargement électrique.
  • Selon d'autres variantes, le système de collecte peut comprendre un système de couplage par induction ou une antenne radio.
  • Le système d'alimentation électrique 2 comporte une pile à combustible FC, une batterie électrique BAT, un premier élément de conversion de puissance 4, un deuxième élément de conversion de puissance 6 et un transformateur 8.
  • Le premier élément de conversion de puissance 4, le deuxième élément de conversion de puissance 6 et le transformateur 8 sont associés pour former un unique convertisseur de puissance continu-continu.
  • Selon des modes de réalisation, la batterie BAT est apte à stocker de l'énergie pour alimenter électriquement au moins en partie le véhicule 1, et notamment la chaîne de traction du véhicule 1, lorsque le véhicule 1 n'est pas alimenté par une source d'alimentation extérieure. C'est par exemple le cas d'un véhicule ferroviaire qui circule sur une portion de voie dépourvue de caténaire ou de rail d'alimentation.
  • Par exemple, la batterie BAT peut comporter une batterie d'accumulateurs électrochimiques. En variante, la batterie BAT peut comporter un ensemble de condensateurs ou de super-condensateurs, ou toute technologie appropriée de stockage d'électricité.
  • Selon un exemple non limitatif, la batterie BAT présente une tension supérieure ou égale à 750V DC entre ses bornes lorsqu'elle est chargée.
  • La pile à combustible FC est apte à générer de l'électricité pour recharger la batterie BAT et/ou alimenter électriquement au moins en partie le véhicule 1, et notamment la chaîne de traction du véhicule 1, lorsque le véhicule 1 n'est pas alimenté par une source d'alimentation extérieure. La pile à combustible FC fournit une source d'énergie supplémentaire embarquée à bord du véhicule 1 lorsque ce dernier n'est pas alimenté par une source d'alimentation extérieure. Par exemple, la pile à combustible FC peut être alimentée par un réservoir d'hydrogène, non illustré, embarqué à bord du véhicule 1.
  • Selon un exemple non limitatif, la tension électrique aux bornes de la pile à combustible FC lorsqu'elle est en fonctionnement est supérieure ou égale à 400V DC.
  • Dans de nombreux modes de réalisation, la tension électrique aux bornes de la batterie BAT est supérieure à la tension électrique aux bornes de la pile à combustible FC.
  • Le premier élément de conversion 4 comporte des bornes d'entrée qui forment une entrée du système 2 et qui permettent de raccorder le système 2 à une chaîne de traction électrique du véhicule 1. Ainsi, le système 2 peut être raccordé alternativement à une source d'alimentation électrique ou à une charge électrique, en fonction des circonstances d'utilisation du véhicule 1.
  • Par exemple, la tension aux bornes d'entrée du premier élément de conversion 4 est supérieure ou égale à 1500V ou à 3000V. Ainsi, le premier élément de conversion 4 forme un étage à haute tension du système d'alimentation 2.
  • Le transformateur 8 comporte un enroulement primaire 10, un premier enroulement secondaire 12 et un deuxième enroulement secondaire 14 connectés entre eux par un point médian 16.
  • Par exemple, le premier enroulement 12 et le deuxième enroulement 14 ont une même longueur et un même nombre de spires.
  • Le transformateur 8 peut comporter un noyau magnétique, noté TMF, autour duquel sont entourés les enroulements 10, 12 et 14.
  • Selon des modes de réalisation, l'enroulement primaire 10 est connecté à une sortie du premier élément de conversion et les enroulements secondaires 12, 14 sont connectés à une entrée du deuxième élément de conversion 6.
  • La batterie BAT est raccordée entre des bornes de sortie du deuxième élément de conversion 6.
  • Selon des exemples de réalisation, une des bornes de sortie du deuxième élément de conversion 6 est connectée à une masse électrique GND commune.
  • Selon l'invention, les premier et deuxième éléments de conversion 4 et 6 sont des convertisseurs « pont » comportant chacun une pluralité d'interrupteurs de puissance pilotés par un dispositif de commande électronique 3.
  • Par exemple, les interrupteurs de puissance sont des transistors, tels que des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), ou des transistors MOSFET, ou toute autre technologie appropriée de transistor de puissance.
  • Selon des exemples de réalisation, le premier élément de conversion 4 assure une conversion de tension continu-alternatif et le deuxième élément de conversion 6 assure une conversion de tension alternatif-continu.
  • Dans l'exemple illustré, le premier élément de conversion 4 comporte quatre interrupteurs de puissance Z1, Z2, Z3 et Z4 formés par des transistors notamment.
  • Deux transistors Z1 et Z2 sont connectés en série dans un premier bras du premier élément de conversion 4 entre les bornes d'entrée. Deux autres transistors Z3 et Z4 sont connectés en série dans un deuxième bras du premier élément de conversion 4 en parallèle avec le premier bras.
  • Une première borne de l'enroulement primaire 10 est connectée à un point du premier bras entre les transistors Z1 et Z2.
  • Une deuxième borne de l'enroulement primaire 10 est connectée à un point du deuxième bras entre les transistors Z3 et Z4.
  • Optionnellement, un premier condensateur de filtrage CF peut être connecté entre les bornes d'entrée.
  • Pour chacun des transistors Z1, Z2, Z3 et Z4, le premier élément de conversion 4 comporte une diode, connectés en parallèle avec ledit transistor.
  • Dans l'exemple illustré, lesdites diodes associées aux transistors Z1, Z2, Z3 et Z4 sont notées DZ1, DZ2, DZ3 et DZ4, respectivement.
  • Selon des exemples de réalisation, le deuxième élément de conversion 6 comporte quatre interrupteurs de puissance S1, S2, S3 et S4.
  • Deux transistors S1 et S2 sont connectés en série dans un premier bras du deuxième élément de conversion 6 entre les bornes de sortie. Deux autres transistors S3 et S4 sont connectés en série dans un deuxième bras du deuxième élément de conversion 6 en parallèle avec le premier bras.
  • Une première borne du premier enroulement secondaire 12 est connectée à un point du premier bras entre les transistors S1 et S2. L'autre borne du premier enroulement secondaire 12 est connectée au point médian 16.
  • La première borne du deuxième enroulement secondaire 14 est connectée au point médian 16. Une deuxième borne du deuxième enroulement secondaire 14 est connectée à un point du deuxième bras entre les transistors S3 et S4.
  • En d'autres termes, le premier transistor S2 est connecté à un premier bras du convertisseur entre le premier enroulement secondaire et une masse commune, et le deuxième transistor S4 est connecté à un deuxième bras du convertisseur de puissance entre le deuxième enroulement secondaire et la masse commune.
  • Pour chacun des transistors S1, S2, S3 et S4, le deuxième élément de conversion 6 comporte une diode de roue libre connectée en parallèle avec ledit transistor. Dans l'exemple illustré, les diodes associées aux transistors S1, S2, S3 et S4 sont notées D1, D2, D3 et D4, respectivement.
  • Selon l'invention, la pile à combustible FC est connectée en série avec une inductance LH (une bobine) et une diode DD au point médian 16 du transformateur. La pile à combustible FC est par ailleurs connectée à une des bornes de sortie du deuxième élément de conversion 6.
  • En variante, la diode DD peut être omise.
  • Par ailleurs, l'inductance LH peut être intégrée au transformateur 8.
  • Dans l'exemple illustré, l'inductance LH et la diode DD sont connectées dans une branche 18 du deuxième élément de conversion 6.
  • Par exemple, une première borne de la pile à combustible FC est connectée à la branche 18 et une deuxième borne de la pile à combustible FC est connectée à la masse électrique GND.
  • Selon l'invention, la diode DD est configurée pour autoriser la circulation du courant électrique depuis la pile à combustible FC vers le point médian 16.
  • En pratique, la valeur de l'inductance LH est choisie en fonction de l'utilisation qui sera faite du convertisseur unique, et notamment de la fréquence de commutation, de la tension de la pile à combustible, de la tension délivrée par la batterie et de la puissance que devra fournir le système d'alimentation 2.
  • Selon un exemple non limitatif, la valeur de l'inductance LH est comprise entre 0,1 mH et 10 H, de préférence entre 0.1H et 10H. Par exemple, pour des applications ferroviaires, avec une puissance de 100kW et une fréquence de commutation égale à 15kHz, l'inductance LH peut être choisie égale à 300µH.
  • Dans des exemples de réalisation, un condensateur C8 est connecté en parallèle avec la batterie BAT en sortie du deuxième élément de conversion de puissance. En variante, le condensateur C8 peut être omis.
  • Le dispositif de commande 3 est configurée pour piloter les éléments de conversion 4 et 6, notamment pour piloter la commutation des interrupteurs de puissance respectifs de ces éléments de conversion 4 et 6.
  • Par exemple, le dispositif de commande 3 pilote les interrupteurs en envoyant des signaux de commande permettant de régler leur commutation suivant une cadence prédéfinie. Les signaux de commande peuvent être des signaux modulés en largeur d'impulsion (PMW, pour « pulsed width modulation » en anglais).
  • Dans de nombreux modes de réalisation, l'unité de commande électronique 3 comporte un processeur, tel qu'un microcontrôleur programmable ou un microprocesseur, et une mémoire informatique formant un support d'enregistrement de données lisible par ordinateur.
  • Selon des exemples, la mémoire est une mémoire ROM, ou une mémoire RAM, ou une mémoire non volatile de type EPROM, ou EEPROM, ou FLASH, ou toute technologie de mémoire appropriée, ou toute combinaison possible de ces technologies de mémoire.
  • La mémoire comporte des instructions exécutables et/ou un code logiciel pour mettre en oeuvre un procédé de pilotage de transistors des éléments de conversion 4 et 6 lorsque ces instructions sont exécutées par le processeur.
  • En variante, le dispositif de commande 3 comporte un composant logique programmable (FPGA) ou un circuit intégré dédié configuré pour mettre en œuvre de tels procédés.
  • Selon l'invention, le dispositif de commande 3 est configurée pour permettre au système 2 de fonctionner dans un des modes de fonctionnement définis ci-dessous, ou dans au moins deux de ces modes de fonctionnement différents, parmi lesquels :
    • un premier mode de fonctionnement dans lequel le système 2 est alimenté par une source extérieure au véhicule 1, par exemple au travers du dispositif de collecte de courant, pour recharger la batterie BAT. Avantageusement dans ce premier mode de fonctionnement, la pile à combustible est également propre à alimenter la batterie ou une charge électrique connectée à l'entrée du premier élément de conversion;
    • un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la batterie BAT est alimentée électriquement par un courant électrique délivré par la pile à combustible FC, afin de recharger la batterie BAT ; et
    • un troisième mode de fonctionnement dans lequel la batterie BAT se décharge pour délivrer un courant électrique à une charge électrique connectée à l'entrée du premier élément de conversion de puissance, par exemple pour alimenter la chaîne de traction du véhicule 1.
  • De façon optionnelle mais néanmoins avantageuse, la commutation des transistors est réalisée aux instants pour lesquels la tension alternative prend une valeur nulle (ZVS, pour « zéro voltage switching » en anglais).
  • Dans le premier mode de fonctionnement, une tension électrique d'alimentation est appliquée aux bornes d'entrée du premier élément de conversion 4 par le dispositif de collecte. Le dispositif de commande 3 pilote les transistors Z1, Z2, Z3 et Z4 du premier élément de conversion 4 pour convertir la tension d'entrée en une tension alternative délivrée aux bornes du transformateur 8. Cette tension alternative est ensuite redressée par le deuxième élément de conversion 6 puis appliquée aux bornes de la batterie BAT pour la recharger.
  • En d'autres termes, la batterie BAT est chargée électriquement à partir d'une tension électrique appliquée à l'entrée du premier élément de conversion de puissance.
  • Par exemple, les diodes D1, D2, D3 et D4 fonctionnent comme un redresseur, les transistors S1, S2, S3 et S4 étant maintenus dans leur état ouvert.
  • La diode DD connectée sur la branche 18 empêche le courant de circuler vers la pile à combustible FC.
  • De façon optionnelle mais néanmoins avantageuse, le dispositif de commande 3 peut commuter les transistors S2 et S4 du deuxième élément de conversion 6 entre leurs états fermé et ouvert de façon synchronisée avec la commutation des transistors Z1, Z2, Z3 et Z4 du premier élément de conversion 4, de manière à assurer un fonctionnement en continu de la pile à combustible qui alimente alors la batterie ou la chaîne de traction en même temps que la source extérieure recharge la batterie. Les autres transistors S1 et S3 du deuxième élément de conversion 6 sont maintenus dans un état ouvert.
  • On comprend donc que, dans le premier mode de fonctionnement, la pile à combustible est également propre à alimenter la batterie ou une charge connectée à l'entrée du premier élément de conversion.
  • Dans le deuxième mode de fonctionnement, aucune tension électrique d'alimentation n'est appliquée aux bornes d'entrée du premier élément de conversion 4, mais la pile à combustible FC est utilisée pour recharger la batterie BAT.
  • Pendant ce temps, les transistors Z1, Z2, Z3 et Z4 du premier élément de conversion 4 peuvent être laissés dans l'état ouvert.
  • Par exemple, le dispositif de commande 3 maintient les transistors S1 et S3 du deuxième élément de conversion 6 dans un état ouvert, et commute régulièrement les transistors S2 et S4 du deuxième élément de conversion 6 pour que ces derniers jouent le rôle de hacheur élévateur de tension en sortie de la pile à combustible FC, avec l'aide des diodes D1 et D3, de manière à pouvoir charger la batterie BAT avec la tension fournie par la pile à combustible FC.
  • Par exemple, comme illustré par la loi de commande de type PWM donnée à titre d'exemple non limitatif à la figure 2, la commutation des transistors S2 et S4 vers l'état ouvert ou vers l'état fermé est synchronisée.
  • En se référant au circuit électrique illustré sur la figure 1, on comprend que, lorsque les transistors S2 et S4 sont tous les deux dans leur état fermé, un premier courant électrique débité par la pile à combustible FC circule par le premier enroulement 12 du secondaire et par le transistor S2. Un deuxième courant électrique débité par la pile à combustible FC circule par le deuxième enroulement 14 du secondaire et par le transistor S4.
  • Aucune puissance n'est transférée vers l'enroulement primaire 10 du transformateur, puisque ces deux courants électriques ont la même intensité, de sorte qu'ils créent dans le transformateur 8 des flux magnétiques qui s'annulent mutuellement.
  • Pendant cette séquence, la batterie BAT ne se recharge pas. L'inductance LH accumule de l'énergie fournie par la pile à combustible FC.
  • Lorsque les transistors S2 et S4 sont simultanément ouverts et restent tous les deux dans l'état ouvert, l'énergie précédemment stockée dans l'inductance LH se décharge et vient charger le condensateur C8 et la batterie BAT, conjointement avec la pile à combustible FC.
  • Par exemple, un premier courant électrique circule par la branche 18, par le premier enroulement 12 du secondaire et par la diode D1 du premier bras en direction de la batterie BAT. Un deuxième courant électrique circule par la branche 18, par le deuxième enroulement 14 du secondaire et par la diode D3 du deuxième bras en direction de la batterie BAT.
  • Le cycle de commutation des transistors S2 et S4 est ensuite répété périodiquement au cours du temps.
  • Dans un troisième mode de fonctionnement, la batterie BAT et la pile à combustible FC délivrent conjointement une tension électrique aux bornes d'entrée du premier élément de conversion 4, afin d'alimenter électriquement une charge électrique connectée à l'entrée du premier élément de conversion 4.
  • Par exemple, le dispositif de commande 3 pilote les transistors S1, S2, S3 et S4 pour faire fonctionner le deuxième élément de conversion 6 de manière à transférer une puissance électrique vers le premier élément de conversion 4.
  • Un exemple de séquence de commutation des transistors S1, S2, S3 et S4 conforme à des modes de réalisation est illustré par le diagramme 30 de la figure 3.
  • Au début de chaque cycle, les transistors S1 et S4 sont commutés vers leur état fermé, tandis que les transistors S2 et S3 restent dans leur état ouvert. Cela permet à la batterie BAT de se décharger et ainsi d'appliquer une tension électrique aux bornes des enroulements secondaires 12 et 14. Pendant ce temps, alors que le transistor S4 est fermé, l'inductance LH emmagasine de l'énergie fournie par la pile à combustible FC.
  • Puis, à un instant t1, le transistor S4 est commuté vers son état ouvert, pendant que le transistor S1 reste fermé. A un instant t2 postérieur à l'instant t1, le transistor S1 est commuté vers son état ouvert.
  • Cette commutation à deux instants différents permet de décharger l'inductance LH lorsqu'on passe de la sous-séquence faisant intervenir les transistors S1 et S4 à la sous-séquence faisant intervenir les transistors S2 et S3.
  • Pendant l'intervalle de temps entre les instants t2 et t1, identifié par la zone hachurée 32 sur la figure 3, le transistor S4 reste dans l'état ouvert, ce qui permet à l'inductance LH de se décharger en alimentant la batterie BAT et/ou le condensateur C8.
  • A l'instant t2, les transistors S2 et S3 sont commutés vers leur état fermé, tandis que les transistors S1 et S4 restent dans leur état ouvert. Cela permet à la batterie BAT de se décharger et ainsi d'appliquer une tension électrique aux bornes des enroulements secondaires 12 et 14. Pendant ce temps, alors que le transistor S4 est fermé, l'inductance LH emmagasine de l'énergie fournie par la pile à combustible FC.
  • Puis, à un instant t3, le transistor S2 est commuté vers son état ouvert, pendant que le transistor S3 reste fermé. A un instant t4 postérieur à l'instant t3, le transistor S3 est commuté vers son état ouvert.
  • Ainsi, pendant l'intervalle de temps entre les instants t4 et t3, identifié sur la figure 3 par une zone hachurée similaire à la zone 32, le transistor S3 reste fermé, ce qui permet à l'inductance LH de se décharger.
  • Le cycle de commutation des transistors S1, S2, S3 et S4 est ensuite répété périodiquement au cours du temps.
  • En parallèle, les diodes DZ1, DZ2, DZ3, DZ4 redresse la tension en sortie de l'enroulement primaire pour convertir la tension électrique aux bornes du transformateur 8 en une tension continue qui sert à alimenter ladite charge électrique. Avantageusement, le dispositif de commande 3 pilote les transistors Z1, Z2, Z3 et Z4 du premier convertisseur 4 pour convertir la tension électrique aux bornes du transformateur 8 en une tension continue.
  • Grâce à l'invention, il est possible d'utiliser un seul système d'alimentation électrique capable de fonctionner aussi bien pour charger la batterie que pour alimenter la chaîne de traction à partir du courant fourni par la pile à combustible.
  • En particulier, en intégrant la pile à combustible FC au niveau du deuxième élément de conversion de puissance 6, il n'est pas nécessaire d'utiliser un hacheur dédié pour élever la tension fournie par la pile à combustible FC à un niveau de tension égal ou semblable à la tension aux bornes de la batterie BAT. Cela permet de réduire le coût et la complexité du système de traction 2, tout en préservant les performances et l'efficacité du système.
  • Notamment, les interrupteurs de puissance S2 et S4 déjà présents dans le deuxième élément de conversion 6 sont pilotés par le dispositif de commande 3 pour réaliser une fonction de hacheur élévateur en tension en sortie de la pile à combustible FC.
  • Toute caractéristique de l'un des modes de réalisation décrite ci-dessus peut être mise en œuvre dans les autres modes de réalisation et variantes décrits.

Claims (7)

  1. Système d'alimentation électrique (2) pour un véhicule électrique, tel qu'un véhicule ferroviaire, comportant : une pile à combustible (FC), une batterie électrique (BAT), un premier élément de conversion de puissance (4), un deuxième élément de conversion de puissance (6) et un transformateur (8), dans lequel une entrée du premier élément de conversion de puissance (4) est configurée pour recevoir un courant de charge ou délivrer un courant de traction, caractérisé en ce que le transformateur (8) comporte un enroulement primaire (10), un premier enroulement secondaire (12) et un deuxième enroulement secondaire (14), l'enroulement primaire (10) étant connecté à une sortie du premier élément de conversion de puissance et les enroulements secondaires (12, 14) étant connectés à une entrée du deuxième élément de conversion de puissance, et en ce que la batterie (BAT) est connectée aux bornes d'une sortie du deuxième élément de conversion de puissance, et en ce que la pile à combustible (FC) est connectée en série avec une inductance (LH) à un point médian (16) du transformateur entre le premier enroulement secondaire et le deuxième enroulement secondaire, le système d'alimentation électrique (2) comportant en outre une diode (DD) connectée en série avec l'inductance (LH) dans une branche (18) du deuxième élément de conversion (6), ladite diode (DD) empêchant le courant de circuler vers la pile à combustible (FC) ; et en ce que le deuxième élément de conversion de puissance est un convertisseur en pont comportant un premier transistor (S2) connecté à un premier bras du deuxième élément de conversion de puissance (6) entre le premier enroulement secondaire (12) et une masse commune (GND), et un deuxième transistor (S4) connecté à un deuxième bras du deuxième élément de conversion de puissance (6) entre le deuxième enroulement secondaire (14) et la masse commune, l'inductance (LH) étant configurée pour accumuler de l'énergie fournie par la pile à combustible (FC) lorsque les premier et deuxième transistors (S2, S4) sont tous les deux dans leur état fermé, et en ce que le système d'alimentation électrique (2) comprend un dispositif de commande (3) configuré pour piloter le système d'alimentation électrique de façon à fonctionner, au moins, dans un premier mode de fonctionnement dans lequel la batterie (BAT) est chargée électriquement à partir d'une tension électrique appliquée à l'entrée du premier élément de conversion de puissance, ou dans un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la batterie (BAT) est rechargée par la pile à combustible (FC), le dispositif de commande (3) étant configuré pour commuter simultanément les premier et deuxième transistors dans le deuxième mode de fonctionnement pour que ces derniers jouent le rôle de hacheur élévateur de tension en sortie de la pile à combustible (FC).
  2. Système d'alimentation électrique (2) selon la revendication 1, dans lequel dans le premier mode de fonctionnement, la pile à combustible est également propre à alimenter la batterie ou une charge connectée à l'entrée du premier élément de conversion.
  3. Système d'alimentation électrique (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier élément de conversion de puissance (4) est un convertisseur en pont comportant une pluralité de transistors (Z1, Z2, Z3, Z4) et dans lequel, dans le premier mode de fonctionnement, le dispositif de commande (3) est configuré pour commuter les transistors (Z1, Z2, Z3, Z4) du premier élément de conversion de puissance.
  4. Système d'alimentation électrique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système comprend un dispositif de commande (3) configuré pour piloter le système d'alimentation électrique de façon à fonctionner dans un troisième mode de fonctionnement dans lequel la batterie (BAT) et/ou la pile à combustible (FC) alimentent une charge électrique connectée à l'entrée du premier élément de conversion de puissance.
  5. Système d'alimentation électrique selon la revendication précédente, dans lequel dans le troisième mode de fonctionnement, la batterie (BAT) et la pile à combustible (FC) alimentent conjointement une charge électrique connectée à l'entrée du premier élément de conversion de puissance.
  6. Système d'alimentation électrique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier élément de conversion (4) de puissance est propre à assurer une conversion de tension continu-alternatif et le deuxième élément de conversion de puissance (6) est propre à assurer une conversion de tension alternatif-continu.
  7. Véhicule électrique (1), notamment un véhicule ferroviaire à traction électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un système d'alimentation électrique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102624234B (zh) * 2012-04-20 2015-08-26 南京航空航天大学 一种全桥三端口直流变换器及其控制方法
JP6183699B2 (ja) * 2013-08-07 2017-08-23 スズキ株式会社 燃料電池車両
CN106575922B (zh) * 2014-09-11 2019-07-05 株式会社村田制作所 电力变换装置
US20160264006A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 M-Field Energy Ltd. Hybrid electrical power system for industrial electric vehicle and method of operation thereof
JP6158243B2 (ja) * 2015-03-24 2017-07-05 株式会社豊田中央研究所 電力変換回路システム
JP6397871B2 (ja) * 2016-11-04 2018-09-26 本田技研工業株式会社 電源システム
JP6951222B2 (ja) * 2017-12-06 2021-10-20 シャープ株式会社 電力変換装置及び電力変換システム

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